基于多元变量分析法探究牛油和清油火锅底料差异性挥发性成分

李大飞，赵承鑫，贾利蓉

(四川大学 轻工科学与工程学院，成都 610065)

火锅是川渝地区的传统美食，深受广大消费者的青睐，火锅底料产业的发展极大地推动了火锅食品在全国乃至全球的传播。根据油脂种类不同，火锅底料可以分为牛油火锅底料和清油(菜籽油)火锅底料。由于不同油脂种类理化性质差异较大，所以炒制的火锅底料在风味上存在明显的差异。除了油脂外，香辛料在火锅底料中作为主要原料，对风味形成起着不可替代的作用[1]。曾朝懿等[2]利用主成分分析法，对12种市售火锅底料的挥发性成分进行分析，发现醛类化合物、烃类化合物、酮类化合物、酯类化合物、醇类化合物构成了川渝地区特色红油火锅底料的特征风味。

目前，对于火锅底料挥发性风味成分的研究，均采用归一化法，利用各组分的相对百分含量进行比较分析，不能准确地反映各组分绝对含量的差异，影响结论的准确性。对于牛油和清油火锅底料风味差异的研究尚未见报道。主成分分析法(principal component analysis，PCA)和正交偏最小二乘法-判别分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis, OPLS-DA)是常见的多元变量分析方法，在食品领域中常用来处理复杂的组学数据。本研究以川渝地区市售牛油和清油火锅底料为研究对象，利用固相微萃取法收集挥发性成分，通过气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)技术，对牛油和清油火锅底料的挥发性成分进行定性和半定量研究。对挥发性成分进行多元变量分析，旨在分析牛油和清油火锅底料挥发性成分的差异，探索不同油脂种类对火锅底料风味的影响规律，为火锅底料的生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与材料

C8～C20正构烷烃混合标品：Sigma-Aldrich公司；环己酮(色谱级)：成都科隆化学品有限公司；20 mL顶空瓶、50/30 μm DVB/CAR/PDMS固相微萃取头及配套手柄、GC-MS联用仪：岛津公司；Rtx-5SiMS色谱柱、25 μL微型进样针。

7种川渝地区销量最大的火锅底料品牌：大红袍(S1)、德庄(S2)、海底捞(S3)、名扬(S4)、蜀粹坊(S5)、桥头(S6)、小龙坎(S7)。所有品牌火锅底料均包括牛油火锅底料和清油火锅底料。

1.2 方法

1.2.1 GC-MS法测定挥发性风味物质

准确称取各组市售火锅底料4.0 g于20 mL顶空瓶中，加入1 μL环己酮作为内标物。60 ℃下水浴顶空平衡30 min，然后用萃取头吸附20 min后进样，测定挥发性成分。每组火锅底料样品重复3次。 GC条件：氦气流速为1.0 mL/min，起始柱温为40 ℃，保持3 min；以6 ℃/min的速度升温至60 ℃，保持1 min；再以2 ℃/min的速度升温至100 ℃，保持1 min；然后以4 ℃/min的速度升温至160 ℃，保持1 min；最后以20 ℃/min的速度快速升温至230 ℃，保持5 min。

MS条件：GC-MS接口温度 250 ℃；EI 离子源；电子能量70 eV；离子源温度250 ℃；扫描范围m/z 40～350。

1.2.2 定性分析

以C8～C20的正构烷烃混合标品对各峰进行保留指数校正，保留指数计算公式为：

(1)

式中：RI表示保留指数；tn和tn+1分别为碳原子数为n和n+1的正构烷烃在相同分析程序下的保留时间，min；ti表示tn和tn+1时间之间的第i个物质的保留时间，min。

对比NIST14.LIB质谱数据库，保留相似度≥85，且计算保留指数与数据库保留指数相差30以内的成分。另外，相似度≥90的成分，保留指数相差70以内的成分也予以保留。

1.2.3 定量分析

以正己烷为内标物，对各目标物质进行半定量计算，计算公式为：

(2)

式中：C表示各组分含量，ng/g；A表示各组分峰面积；A0表示内标物峰面积；m表示样品质量，ng；m0表示内标物质量，g。

1.3 数据分析

利用SIMCA 14.1数据统计软件先对火锅底料挥发性成分数据进行主成分分析，然后将牛油火锅底料和清油火锅底料分组后，进行正交偏最小二乘法-判别分析。最后利用SPSS 19.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 市售火锅底料挥发性成分

实验结果表明，市售牛油火底料和清油火锅底料含有51种共有挥发性成分，包括β-水芹烯、D-柠檬烯、蒎烯、正十四烷等30种烃类物质，芳樟醇、桉树脑、萜品醇等7种醇类物质，柠檬醛、(Z)-2-壬烯醛、(E)-2-十二烯醛、(E)-2-十一烯醛等7种醛类物质，乙酸芳樟酯、乙酸-α-萜品酯、乙酸橙花酯、乙酸香叶酯4种酯类物质，茴香脑、丁香酚和香芹酮各1种。

30种烃类物质主要为C10和C15的烯萜类，大多来自于香辛料、食用精油或香精[3]。D-柠檬烯大量存在于柑橘类精油中，其相对百分含量达到40%以上[4]。蒎烯广泛存在于花椒等香料挥发性精油中[5]。正十四烷等直链脂肪烃可能与油脂的氧化和热降解有关[6]。7种醇都属于烯萜类物质，例如芳樟醇和萜品醇，存在于八角、生姜等香辛料中。在醛类物质中，香茅醛、β-柠檬醛、柠檬醛等来自于香辛料，其他直链醛类物质主要来自于油脂的氧化与热降解，例如2-烯醛、2,4-二烯醛等烯醛是脂肪酸的典型氧化产物[7]。4种酯类物质乙酸芳樟酯、乙酸-α-萜品酯、乙酸橙花酯、乙酸香叶酯均广泛存在于香辛料中，尤其是乙酸芳樟酯大量存在于花椒中[8]。桉树脑和茴香脑存在于八角等植物精油中[9]。香芹酮和丁香酚存在于丁香和肉桂中[10,11]。

2.2 PCA分析

对全部7个品牌的42个市售火锅底料样品的51种共有挥发性成分进行主成分分析，见图1。

分析结果表明，第一主成分贡献率为0.272，第二主成分贡献率为0.186, 累积贡献率仅为0.458，不能很好地代表整体。由图1可知，牛油火锅底料和清油火锅底料的分离效果不佳。主成分分析法作为无监督分析方法，不能很好区别市售牛油火锅底料和清油火锅底料，需要重新选择分析方法。

2.3 OPLS-DA分析

正交偏最小二乘法-判别分析是一种有监督模式的多元变量分析方法，与主成分分析法相比，能够获取差异较大的变量，滤除与研究对象无关的噪音，达到更好的区分效果[12]。

由图2可知，牛油火锅底料和清油火锅底料能够在OPLS-DA得分图中清晰地聚集在两个不同区域，说明两种火锅底料的挥发性成分差异显著。其中 VIP 是变量投影重要性，表示变量造成组间差异的重要性，当 VIP>1.0时，变量X在组间存在显著差异。此OPLS-DA模型预测指数Q2=0.972， 说明该模型可靠。51种共有挥发性成分中，14种成分的VIP>1.0，见表1。OPLS-DA模型的S-plot图见图3，对模型贡献率越大的点离原点越远。

图2 市售火锅底料OPLS-DA得分图Fig.2 OPLS-DA scoring plot of commercially available hotpot seasonings

图3 OPLS-DA 模型S-plot图Fig.3 S-plot chart of OPLS-DA model

由图3可知，其结果与VIP值所反映的结果一致。

对表1中14种VIP>1.0的成分进行单因素方差分析，得到P值，见表1。综合VIP值>1.0和P值<0.05可以发现，牛油火锅底料与清油火锅底料存在11种差异性挥发性成分，分别为：(Z)-2-壬烯醛、β-水芹烯、β-月桂烯、香芹酮、D-柠檬烯、乙酸芳樟酯、(E)-2-十二烯醛、(E)-2-十一烯醛、茴香脑、芳樟醇、α-侧柏烯。其中，D-柠檬烯、芳樟醇、乙酸芳樟醇等成分在清油火锅底料中的含量普遍较高；香芹酮则在牛油火锅底料中的含量普遍较高。结合火锅底料的炒制工艺，分析造成牛油火锅底料和清油火锅底料挥发性成分存在差异的原因可能有两个：一是不同脂肪氧化和降解存在差异，二是油脂对香辛料中挥发性成分的萃取存在差异。

表1 VIP值>1.0的挥发性成分Table 1 Volatile components with VIP>1.0

注：“SI”代表相似度；“a”代表数据库保留指数；“b”代表计算保留指数”；“N”代表牛油火锅底料；“Q”代表清油火锅底料；“*”表示具有统计学意义。

脂肪酸在高温下，先形成氢过氧化物，然后进一步分解为烃、醛、酮、醇等化合物，尤其是醛类化合物的阈值较低，对火锅底料的风味影响很大。植物油的不饱和度一般高于动物油脂，油脂的不饱和度越高，其氧化和热降解速率越快[13]。由表1可知，作为脂肪氧化的代表性产物，(Z)-2-壬烯醛、(E)-2-十二烯醛和(E)-2-十一烯醛在清油火锅底料中的含量确实普遍更高，这与分析结果一致。

烯萜类成分广泛存在于香辛料中，阈值同样很低，对火锅底料的整体风味影响很大。烯萜类物质具有亲油性，在火锅的炒制过程中，会逐渐从香辛料中溶出，这些成分在不同油脂中的萃取效果存在差异。Filly Aurore等[14]利用8种溶剂对香菜种子中的挥发性成分进行了提取，发现各组分在不同溶剂中的溶出量差别较大。Li Ying等[15]利用多种植物油对罗勒植物香料中桉树脑、柠檬烯、芳樟醇等物质进行萃取，发现这些成分在不同植物油中的溶解度同样存在显著差异。牛油和清油的理化性质差异明显，在火锅底料炒制过程中对香辛料中挥发性成分的溶解性可能存在差异，进而影响火锅底料中各挥发性成分的含量。

3 结论

通过GC-MS检测到牛油火锅底料和清油火锅底料含有51种共有挥发性成分，包括30种烃类物质，7种醇类物质，7种醛类物质，4种酯类物质，醚类、酚类和酮类各1种。

在市售火锅底料的OPLS-AD二维得分图中，牛油火锅底料和清油火锅底料能明显聚集在两个不同区域，说明其挥发性成分存在明显差异。分析市售火锅底料VIP值>1.0的挥发性成分，得出在牛油火锅底料和清油火锅底料中存在14种成分(VIP值>1.0)。结合显著性参数P值，得出(Z)-2-壬烯醛、β-水芹烯、β-月桂烯、香芹酮、D-柠檬烯、乙酸芳樟酯、(E)-2-十二烯醛、(E)-2-十一烯醛、茴香脑、芳樟醇、α-侧柏烯为牛油火锅底料与清油火锅底料的差异性挥发性成分。在差异性成分中，D-柠檬烯、芳樟醇、乙酸芳樟醇等成分在清油火锅底料中的含量普遍较高；香芹酮在牛油火锅底料中的含量普遍较高。结合火锅底料的炒制工艺，分析造成牛油火锅底料和清油火锅底料挥发性成分的差异可能存在两个方面的原因：一是牛油和清油的氧化和降解存在差异性，二是对香辛料中挥发性风味成分的萃取作用存在差异性。